基于燒結的間接3D打印——為鎢金屬加工制造及靈活設計開拓新方向

來源：升華三維

鎢及鎢合金是典型的難熔金屬和難成形材料,因其高熔點、高密度、高導熱性和適度的熱膨脹等性能而成為高溫應用的首選材料，被廣泛應用于醫(yī)療器械、國防軍工、航空航天、電子信息、能源、化工冶金、核工業(yè)等諸多領域，2023年2月份，金屬·陶瓷間接3D打印技術的廠商升華三維推出鎢合金3D打印服務，接下來，將對粉末擠出打印技術（PEP）在鎢及鎢合金3D打印制備工藝做詳細解答。

鎢材料的優(yōu)點也成為其難以加工的問題。鎢的熔點可高達3410℃，很難用常規(guī)方法制造。通常，鎢及鎢合金可經粉末冶金制坯、擠壓、鍛造、軋制、旋壓和拉拔等加工成材，但加工成本高且耗時，所能制造的零件結構復雜度有限。3D打印技術為鎢金屬的制造提供了新的思路，目前主流的SLM、BJ、FDM擠出以及DLP等基于直接熔化和基于燒結的制備途徑均為鎢制造提供了可行性。

基于燒結的間接3D打印
粉末擠出打印技術（PEP）是由升華三維推出的一種將“3D打印+粉末冶金”相結合的金屬/陶瓷間接3D打印技術。是在(FDM)熔融沉積成型技術的基礎上，再結合粉末冶金工藝形成的一種3D打印方法。采用金屬/陶瓷粉體適配粘結劑混煉成顆粒材料、然后通過3D打印設備制備出具有一定密度和強度的生坯，再經過脫脂燒結后處理工藝，從而獲得最終致密和性能優(yōu)異的結構件。有望為鎢及鎢合金在增材制造的應用提供高效的生產解決方案。

打印材料的開發(fā)
升華三維根據金屬/陶瓷粉體的物性（粒徑分布、形貌、比表面積等）和產品的性能要求，選擇合適的粘接劑配方體系（水基、塑基、蠟基等）進行適配，通過密煉機充分混合密煉高分子粘結劑與金屬/陶瓷粉末，最后通過造粒機制備得到粒徑可控的顆粒料材料。相繼開發(fā)出了適配于升華三維3D打印機的材料。如：316L/304/17-4PH不銹鋼、銅及銅合金、鎢及鎢合金、鈦及鈦合金、高溫合金、硬質合金難熔金屬等金屬材料，氧化鋯、氧化鋁、碳化硅等特種陶瓷材料及羥基磷灰石等生物陶瓷材料，以滿足不同應用需求。

UPGM-93WNIFE鎢合金顆粒料是升華自主研發(fā)的一種金屬聚合物復合材料，呈灰色，粒徑在8-14目的近球形顆粒，可應用于航空航天、軍事國防、核工業(yè)、工業(yè)制造及飾品等領域的鎢金屬結構件開發(fā)制造。

3D打印成型

▲3D打印設備

基于PEP技術，以按照模型設計 →工藝經驗評估/軟件模擬 → 原型法驗證 → 生坯打印的規(guī)范生產流程。通過升華三維3D打印機系統(tǒng)將顆粒料加熱成熔融膏狀，再擠壓并逐層堆積成形，可得到高精度并具有一定密度和強度的生坯。該系統(tǒng)可實現(xiàn)大尺寸（最大成型體積：500×500×600mm）鎢金屬結構件打印，且具有熱風腔體恒溫系統(tǒng)和真空吸附平臺，可有效防止翹邊現(xiàn)象。打印成型后，生胚還需要進行脫脂和燒結過程。

▲3D打印工藝參數(shù)

▲UPGM-93WNIFE鎢合金生坯樣品

脫脂工藝
脫脂的作用是從3D打印生胚中去除大部分粘結劑聚合物。脫脂工藝包括水脫脂、溶劑脫脂和催化脫脂。脫脂過程相對簡單，將生胚浸泡于適量的脫脂劑里一段時間，被去除粘結劑聚合物的生坯稱之為棕胚，將被送至燒結環(huán)節(jié)從而得到致密的金屬/陶瓷結構部件。升華三維目前已擁有成熟的水基93W-NiFe打印材料。如下圖所示，在脫脂環(huán)節(jié)，使用“處理水脫脂工藝”，溶解脫除粘接劑B；脫脂后，殘留的粘接劑A，使棕坯具有一定的強度，以方便轉運。而殘留的粘接劑A，將在后續(xù)燒結過程中高溫去除。

▲脫脂工藝圖示

燒結工藝
獲得的棕坯因在脫脂后存在一定的空隙，其強度和密度較低�；�于PEP技術路線已摸索出合適的燒結工藝，并可根據客戶粉體物性調整燒結工藝參數(shù)。通過燒結，殘余的粘結劑聚合物首先在適當?shù)募訜釡囟认卤蝗コ�。當溫度升高到金�?陶瓷粒子的熔點以上時，這些粒子開始熔化并增長到密度達到近乎致密。因燒結溫度低于其他類型的直接3D打印工藝中所需的完全熔化溫度，并且熱量可以更均勻地施加，從而確保了產品性能的一致性。

▲UPGM-93WNIFE鎢合金燒結件力學性能

需要注意的是，在燒結過程中，由于粘結劑聚合物的去除和材料顆粒的生長，會發(fā)生一定比率的收縮，但收縮率是恒定的。設計和成型步驟將按比例放大，以補償在燒結步驟中的收縮。燒結后的鎢合金構件，能達到或超過傳統(tǒng)工藝制備性能指標。

▲UPGM-93WNIFE鎢合金燒結樣品

PEP技術為解決鎢合金機械加工難、復雜結構生產和減重設計提供一種新的解決途徑，通過PEP工藝制備的鎢合金部件是完全可直接使用的，并且能實現(xiàn)更快的生產與打樣。升華三維將進一步挖掘技術潛能，建立完備的工藝路線。推出的鎢合金3D打印服務，也將為航天、航空、軍事、醫(yī)療以及核工業(yè)等應用領域在鎢金屬加工制造及靈活設計開拓新方向。